集约式低成本井下自动调控分注装置研究*

王 聪 张 凯 崔玉海 郭 慧 张小玫 王鹏飞 王 鹏

(中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司石油工程技术研究院)

0 引 言

胜利油田以水驱开发为主，水驱产量占总产量的75%左右，水驱储量的稳定开发是油田稳产的基石[1]。国内分层注水技术经历了固定式分注技术、活动式分注技术、测调一体化分注技术3个成熟的发展阶段，目前正在进行智能分注技术的推广应用[2-3]。大庆油田、华北油田以有缆式智能分注技术为主，研发的智能配水器集成了温度、压力监测和流量测控功能，通过电缆载波通信技术与地面实时通信，获取井下数据，控制分层注水量[4-6]。长庆油田以无缆式智能分注技术为主，研发了适用于超低渗透油藏的压力波通信分层注水技术，通过地面与井下电控阀开度调控，在井筒内产生压力波动，实现了地面与井下的数据传输和井下分层流量调控[7-8]。中海油开展了电缆永置式井下测调技术和电控+液控智能注水技术的攻关研究。电缆永置式井下测调技术将测调组件集成于井下测调工作筒内，通过电缆进行数据与指令传输，实现对井下数据的监控和注水量的调节[9-12]。

胜利油田自2014年开始，开展了有缆式智能分注技术的攻关和无缆式智能分注技术的试验应用[13-14]，有缆式智能分注技术已推广应用110余井次，累计增油约9.15万t 。受制于井下高温芯片、电机等成本制约，有缆智能分注技术实施成本高，限制了规模化推广应用。因此，本文拟开发设计一种低成本自动调控分注装置，将统一配置的井下智能配水器优化设计为具有通信和测试功能的中枢配水器和具有调节功能的配水调控开关，以减少高温芯片使用数量，在保证实时获取数据的基础上，降低实施成本。

1 技术分析

1.1 工作原理

图1为集约式低成本井下自动调控分注管柱示意图。分层配注装置主要由中枢配水器和配水调控开关构成，过电缆封隔器用来将不同的注水层段分隔。中枢配水器具有采集全井流量、分层流量、压力、温度的基本功能，同时能够进行双向通信；配水调控开关具有采集外压、控制水嘴开关的基本功能；地面控制器可以设置各个油层注水参数，并通过电缆直流载波通信的方式将设置参数传输到各个油层的分层配注装置。

中枢配水器配置的传感器种类齐全，而配水调控开关相当于简化版的有缆智能配水器，其相关参数可由中枢配水器的测量数据进行数学运算得到。配水调控开关的内压为中枢配水器测量到的内压、静液柱压力与摩阻的代数和，而配水调控开关的温度为中枢配水器测量到的温度与温差之和。配水调控开关中没有内压传感器、温度传感器以及对应的采集电路，成本降低约30%。

1.2 结构设计

图2为集约式井下自动调控分注装置三维结构图。所设计的中枢配水器主要由上接头、电磁流量计、一体化可调水嘴、中心过流管、差压流量计及下接头组成。其中电磁流量计用于测量全井流量，差压流量计用于测量分层流量，压力传感器可测量管内外的压力，温度传感器实现层段温度的测量。中枢配水器可实现水嘴开度调节、控制进入地层的流量及数据双向通信的功能，同时还设计了多级密封结构，以保证长期密封的可靠性。所设计的配水调控开关主要由上接头、外压传感器、下接头、外护管、中心过流管及一体化可调水嘴组件等组成。通过水嘴开度的控制实现分层流量的调节，调控开关对应层位的流量值可通过换算得到(水嘴开度-压差-流量的关系)。同时配水调控开关也具备多级密封结构。

图2 集约式井下自动调控三维结构图Fig.2 3D structure map of intensive downhole automatic regulation and control device

1.3 电路设计

由功能需求可知，中枢配水器主要具有采集流量、压力、温度和双向通信功能，配水调控开关主要具有采集外压、控制水嘴开关的功能。可见，中枢配水器与配水调控开关的功能相似，不同之处在于中枢配水器所采集的传感器数据种类较多。因此设计电路时为增强互换性，采取了模块化的设计思想，将中枢配水器及配水调控开关所需功能全部设计于电路板上，配水调控开关不使用的电路模块不焊接相应芯片。

选用意法半导体公司的STM32F103C8T6芯片作为主控芯片，由于自带了模拟量输入端口，所以可直接将芯片的AD输入端口与模拟量输入传感器(包括压力及流量传感器)相连接，通过编程后进行传感器数据的采集。温度传感器采用DS18b20芯片式温度传感器，该传感器为数字式传感器，因此可直接与主控芯片的I/O口相连接，通过编程后采用I2C总线的方式进行温度数据的读取。水嘴内部安装有步进电机，对水嘴开度的控制实际上是对步进电机的控制，因此可将主控芯片直接与电动机控制线相连接，通过脉宽调制的方式对水嘴进行控制。

采用直流载波通信的方式进行井下及地面的通信，直流载波通信传输的命令或数据采用二进制的传输方式，因此编码电路实际上是将数字信号1和0转化为对应的模拟信号，通过模拟信号在电缆上进行传输，而解码电路与编码电路功能相反，是将电缆上的模拟信号重新转化为对应的数字信号。为了适用于不同规格的电缆，编解码电路中增加了PGA112可编程增益放大器，对信号进行放大，从而实现对不同长度及规格电缆的自适应。该电路将迟滞比较器的门限电压与标准信号进行计算后得出增益放大倍数，进而编程调节放大器的增益。设计的增益放大电路如图3所示。

图3 增益放大电路图Fig.3 Gain amplification circuit diagram

1.4 控制算法

分层注水过程中，井下流量的控制精度直接决定了注水井的层段合格率，因此合适的控制算法对于注水流量的精确控制至关重要[15-16]。目前井下流量调控常用的控制算法包括PID控制算法[17]、模糊控制算法[18]及模糊自适应PID控制算法[19]。其中模糊控制及模糊自适应控制算法均需要根据以往经验设计模糊控制器。因此，本文所设计的集约式配水器采用增量式PID控制算法对注水流量进行控制，PID控制算法的表达式如下[20-21]：

(1)

式中：u(t)为输出量；e(t)为误差；Kp为比例系数；Tt为积分时间常数；TD为微分时间常数。

Δu(t)=KpΔe(t)+Tte(t)+

TD[Δe(t)-Δe(t-1)]

(2)

Δe(t)=e(t)-e(t-1)

(3)

由式(2)及式(3)可知，一旦确定了PID控制算法的比例、微分及积分系数，只要使用本次控制周期前后3次的偏差，即可得到流量调控的控制增量。实际使用中，由于不同地层的吸水差异较大，因此PID控制算法中的Kp、Tt及TD应采取现场试凑方式，从而取得比较理想的控制效果。

2 试验验证

集约式井下自动调控分注装置(即中枢配水器和配水调控开关)样机加工完成后进行了大量试验，图4为室内试验情况。试验过程中分别对其耐压、耐温及流量调控误差进行了测试，具体如下。

图4 集约式井下自动调控分注装置试验照片Fig.4 Test photo of intensive downhole automatic regulation and control separate injection device

2.1 耐压测试试验

将集约式井下自动调控分注装置放入试验工装内进行试验，加压结束后通过测试仪器舱内电子器件是否正常工作来验证耐压情况。加压测试方式分为2种方案，图5a为循序渐进式的加压方式，最终将压力稳定在30 MPa并保持一定时间。图5b为直接加压方式，该方式直接加压到30 MPa，并保持该压力值稳定一定时间。多次试验的结果显示所设计的集约式低成本井下自动调控分注装置水嘴可在30 MPa的压差环境下使用，当压力超过该范围后装置出现泄漏。因此，所设计的集约式井下自动调控分注装置水嘴的工作压差范围应≤30 MPa。

图5 耐压测试2种加压方式实测加压曲线Fig.5 Measured pressurized curve of 2 types pressurization modes in pressure test

2.2 耐温测试试验

耐温测试试验主要用于测试密封圈、电子元器件及传感器的耐温性能，试验时采用烘箱加热的方式对装置的耐温性能进行验证。试验时将烘箱温度调整到125 ℃，并保持48 h。测试结束后将中枢配水器和配水调控开关的电路及传感器相连接后进行通信，若仍能够读取到正确的传感器测量数据，则证明装置可满足125 ℃以下的使用需求。图6为某次试验后将装置静止在室内环境下，利用外部测试仪器读取集约式井下自动调控分注装置的测量温度。此时温度为室内温度变化，与实际情况一致。多次试验验证后，证明所研制的集约式井下自动调控分注装置可在125 ℃的工况环境下正常使用。

图6 耐温测试试验结束后实测温度数据Fig.6 Measured temperature data after the end of temperature resistance test

2.3 流量调控误差试验

通过设置集约式井下自动调控分注装置的注入流量QS作为调控流量，并将标准的电磁流量计测量流量QM作为标准流量，则流量调控误差Er可采用下式进行描述：

(4)

试验时设置了2种试验方式：方式1为恒量式调控方式，即QS为常量，通过实时测量QM的值来计算测量误差；方式2为变量式调控方式，即间隔性的改变QS的值，通过实时测量QM的值来计算测量误差。图7和图8分别为实测2种试验方式下的流量及测量误差曲线。通过大量试验数据的统计分析后可知，该集约式井下自动调控分注装置的调控误差≤5%，该误差值满足现场调控需求。

图7 恒量式调控方式试验结果Fig.7 Test results of constant regulation mode

图8 变量式调控方式试验结果Fig.8 Test results of variable regulation mode

3 结 论

(1)基于降低成本的需求，设计了集约式井下自动调控分注装置，包括中枢配水器及配水调控开关，满足耐温125 ℃及耐压差30 MPa的工况环境，且流量调控误差≤5%。

(2)与传统分层注水装置相比，具有2方面的优点：一是采用高精度传感器设计，并辅以PID控制算法，从而提高了测控精度；二是井下中枢配水器可控制多个配水调控开关，实现单配水器协同控制多个注水层段，有效降低了成本。

(3)集约式井下自动调控分注装置采用PID控制算法进行注水流量的自动调控，但由于不同地层的差异较大，所以PID控制算法中的控制参数需采取现场试凑方式获取，降低了装置的普适性，因此建议下一步研究自适应控制算法，以提高装置的普适性。